Praktikum Hochfrequenztechnik

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1 Praktikum Hochfrequenztechnik Fachreferat: Leistungsmerkmale von Spektrumanalysatoren Lars Dues Fachhochschule Aachen WS 07/08 Inhalt 1. Störfestigkeit Spiegelempfangsstellen ZF-Durchschlag / Empfang der Zwischenfrequenz Eigen- und Nebenempfangsstellen 2 2. LO-Durchschlag 3 3. Filtereigenschaften 4 4. Frequenzgenauigkeit 4 5. Sweep-Zeit und Update-Rate 4

2 Einige Leistungsmerkmale von Spektrumanalysatoren 1. Störfestigkeit Schmutzeffekte sind unerwünschte Komponenten im dargestellten Spektrum, wobei der Benutzer keinen Zusammenhang zum Eingangssignal feststellen kann. Diese Effekte können verschiedene Ursachen, die im Einzelnen vorgestellt werden. 1.1 Spiegelempfangsstelle Wie wir bereits gelernt haben ist die Umsetzung eines Signals durch Mischer nicht eindeutig. Neben der gewünschten Frequenz ergibt sich auch immer noch eine gespiegelte Frequenz. Diese Spiegelfrequenzen werden durch geeignete Filter unterdrückt, allerdings ist die Isolation der Filter begrenzt Unterdrückung nicht beliebig hoch Unterdrückung bei modernem Analysator >70 db Diese Spiegelempfangsstellen treten sowohl bei der ersten als auch bei der 2. Mischerstufe auf und müssen demnach auch dort herausgefiltert werden. 1.2 ZF-Durchschlag / Empfang auf der Zwischenfrequenz Da der erste Mischer nur eine begrenzte Isolation aufweist, kann ein Eingangssignal mit nahezu der gleichen Frequenz wie der Zwischenfrequenz direkt in die ZF-Ebene gelangen im gesamten dargestellten Frequenzbereich Filter unterdrücken dieses Signal gleiche Filter wie für die Unterdrückung der Spiegelempfangsstellen Laut Datenblatt Wert >70 db 1.3a Eigenempfangsstellen Signale im Spektrum, die im Spektrumanalysator entstehen Ursachen o z.b. Taktsignale von Mikroprozessoren Man unterscheidet zwei Arten: Permanent vorhandene Eigenempfangsstellen Eigenempfangsstellen, die auftreten wenn ein Eingangssignal anliegt 1.3b Nebenempfangsstellen Harmonische des Eingangssignals entstehen im ersten Mischer des Spektrumanalysators aufgrund der Nichtlinearität. Diese sind in der Messkurve zu erkennen. Außerdem können diese Harmonischen sich auf die Zwischenfrequenz umsetzen. m.lo ± n.e =.ZF (Gl. 1) 2

3 Bei Eingangsfrequenzen, die Gleichung 1 mit m>1 und n>1 erfüllen, spricht man von Nebenempfangsstellen. Gegenmaßnahmen: hohe Anforderung an die Linearität des ersten Mischers niedriger Mischerpegel durch geeignete HF-Dämpfung 2. LO-Durchschlag Da passive Mischer eine begrenzte Isolation aufweisen, wird das LO-Signal in den ZF-Pfad eingekoppelt. Ist nun die Eingangsfrequenz niedrig (z.b. einige khz), so entspricht das LO-Signal nahezu der ZF-Frequenz. Das ZF-Filter filtert insbesondere bei hohen Auflösebandbreiten kaum noch das LO-Signal heraus. Daher kann das LO-Signal fast oder sogar komplett ungefiltert zum Detektor gelangen. Diesen Vorgang bezeichnet man als LO-Durchschlag. Im Bereich der minimalen Startfrequenz tritt aufgrund des Phasenrauschens des LO- Signals eine Erhöhung der mittleren Rauschanzeige auf (s. Bild 1). Diese Erhöhung führt zu einer geringeren Empfindlichkeit in diesem Frequenzbereich. Der LO-Durchschlag kann reduziert werden, indem die Auflösebandbreite (RBW) herabgesetzt wird. Dies ist vor allem bei sehr geringen Frequenzen aber nur bedingt möglich. In diesem Fall müssen schaltungstechnische Maßnahmen getroffen werden. (z.b. gegenphasige Einkopplung des LO-Signals zur Interferenzbildung) Bild 1: Erhöhung der mittleren Rauschanzeige in Abhängigkeit der RBW 3

4 3. Filtereigenschaften Die Filter eines Spektrumanalysators sind sehr vielfältig in ihren Eigenschaften. Sie müssen geeignet sein um folgende Anforderungen zu realisieren: eine minimale und maximale Auflösebandbreite sehr schmale Bandbreiten für empfindliche Messungen sehr große Auflösebandbreiten für die Messung im Zeitbereich Genauigkeit der Bandbreite (Signalpegel bezogen auf die Bandbreite) Für die verschiedenen Messanwendungen werden ebenso unterschiedliche Filter benötigt. So werden FFT-Filter (kurze Sweep-Zeit), aber auch analoge und digitale Filter eingesetzt. 4. Frequenzgenauigkeit Alle Lokaloszillatoren eines Spektrumanalysators sind an einen stabilen Referenzoszillator (meist 10 MHz) angebunden. Die Genauigkeit eines Analysators lässt sich also direkt auf die Genauigkeit dieses Referenzoszillators zurückführen. Somit sind die Temperaturstabilität und die Alterung des Referenzoszillators entscheidend für die stabile Genauigkeit des Analysators. Die Genauigkeiten liegen hier bei dem verwendeten temperaturkompensierten Quarzoszillator im Bereich von und bei dem Referenzoszillator bei für die Alterung bzw für die Temperaturdrift. Um eine exakte Absolutgenauigkeit zu gewährleisten, ist ein stetiger Abgleich der Referenzfrequenz notwendig. Dies ist dem Anwender eines modernen Analysators mithilfe eines D-A-Wandlers möglich. Hierzu wird lediglich ein Signal mit bekannter Frequenz bzw. ein Frequenzzähler benötigt. 5. Sweep-Zeit und Update-Rate Sweep-Zeit: benötigte Zeit zur Aufnahme eines Frequenzbereiches Die Sweep-Zeit wird durch folgende Faktoren bestimmt: Der LO benötigt eine gewisse Zeit zur Einstellung, ebenso die Messdatenverarbeitung. Vom Erfassen der Daten bis zur Anzeige braucht es ebenso eine gewisse Zeit hier: 2,5 ms Untergrenze Bei der Auswahl einer Einzelfrequenz ist hauptsächlich nur die Messdatenerfassung von Bedeutung (1us). Ebenso ist die Abtastrate des A-D-Wandlers ein wichtiger Wert (d.h. die minimale Zeit zwischen zwei Messwerten, hier: 125ns). Update-Rate: Anzahl der Sweeps pro Zeiteinheit Wünschenswert sind mindestens 20 Messungen pro Sekunde flackerfreie Anzeige 4

5 Was ist hierbei zu beachten? maximale Update-Rate deutlich kleiner als Kehrwert der minimalen Sweep-Zeit. (siehe Bild 2) Bild 2: Zeitlicher Ablauf einer Messung Im ferngesteuerten Betrieb ist es oftmals sinnvoll die Bildschirmanzeige auszuschalten, um die Update-Rate somit erhöhen zu können. 5